Fig.1 La suite di chimica atmosferica comprende quattro unità:il NIR, MIR, e gli spettrometri TIRVIM e il blocco elettronico (EB). Immagine per gentile concessione dei ricercatori. Credito:ricercatori 10.1007/s11214-017-0437-6
Nel 2013, l'Agenzia spaziale europea e Roscosmos, l'ente governativo russo responsabile della ricerca spaziale, hanno concordato di collaborare su ExoMars, la prima missione interplanetaria congiunta tra ESA e Russia. Questo progetto ora coinvolge scienziati di 29 organizzazioni di ricerca, tra cui MIPT e l'Istituto di ricerca spaziale dell'Accademia delle scienze russa, che è il principale contributore di hardware e attrezzature da parte russa. Da adesso, il primo pacchetto di strumenti di osservazione è stato consegnato nell'orbita di Marte per cercare componenti chimici minori dell'atmosfera del pianeta che potrebbero essere tracce di vita primitiva.
Anche se i nuovi dati si rivelassero inconcludenti, scalderanno sicuramente la discussione sul fatto che ci sia mai stata vita sul pianeta rosso. All'inizio del 2018, il satellite ExoMars con a bordo gli strumenti di ricerca si abbasserà nella sua orbita operativa e inizierà le osservazioni dell'atmosfera marziana. Un recente articolo su Space Science Reviews descrive la composizione e gli obiettivi di uno dei due strumenti di fabbricazione russa trasportati dall'orbiter.
La missione spaziale congiunta ExoMars di ESA e Roscosmos prevede due fasi. Il primo è iniziato il 14 marzo 2016, con il lancio di un razzo booster Proton-M dal complesso spaziale russo di Baikonur, Kazakistan. Il razzo ha lanciato due moduli:il lander Schiaparelli e il Trace Gas Orbiter (TGO). I due sono stati consegnati su Marte in 226 giorni, facendo un viaggio di 500 milioni di chilometri.
Schiaparelli aveva lo scopo di testare la tecnologia per futuri atterraggi. Ha tentato un atterraggio, ma si schiantò in superficie. Gli obiettivi di TGO sono rilevare gas in traccia nell'atmosfera, mappare la distribuzione del ghiaccio d'acqua sotto la superficie, e condurre immagini ad alta risoluzione, compresa l'imaging stereo della superficie.
Le finestre di lancio favorevoli per le traiettorie di Marte si verificano una volta ogni due anni, e la seconda fase della missione ExoMars è prevista per il 2020. Un nuovo lander schiererà un rover per navigare autonomamente sulla superficie marziana, trasmettendo i dati raccolti tramite TGO. L'obiettivo principale della missione ExoMars è quello di esplorare se la vita sia mai esistita su Marte.
Fig. 2. Tre modalità di osservazione del Trace Gas Orbiter:le cosiddette misurazioni dell'occultazione solare (in alto a destra) della luce che passa attraverso l'atmosfera marziana e il nadir, o "verso il basso, ” misurazioni della luce solare riflessa e della radiazione di Marte dal suo lato diurno (a sinistra) e dal lato notturno (a destra). Credito:ricercatori 10.1007/s11214-017-0437-6
Il satellite TGO trasporta quattro strumenti scientifici:un sistema di imaging a colori ad alta risoluzione, un rivelatore di neutroni ad alta risoluzione, e due suite di spettrometri. Il rivelatore epitermico di neutroni e la suite di chimica atmosferica (ACS) sono stati costruiti presso lo Space Research Institute di Mosca.
L'obiettivo scientifico primario di TGO è studiare il clima, atmosfera, e superficie di Marte. Utilizzando i suoi rilevatori di bordo, abbastanza sensibile da individuare tracce di gas, l'orbiter dovrebbe risolvere i dubbi sulla presenza di metano atmosferico su Marte. Questo gas è stato precedentemente rilevato dai telescopi terrestri e dal rover Curiosity della NASA.
L'ACS di fabbricazione russa (fig. 1) comprende tre spettrometri a infrarossi. È abbastanza sensibile da rilevare e misurare tracce di gas atmosferici come metano, che potrebbe essere un segno di attività geologica o biologica su Marte. Gli spettrometri hanno un potere risolutivo di 10, 000 o più e un'ampia copertura spettrale, da 0,7 a 17 micrometri. Con il loro aiuto, TGO chiarirà il ruolo dei principali costituenti atmosferici marziani:anidride carbonica, vapore acqueo, e aerosol, nel clima del pianeta.
Il canale del vicino infrarosso (NIR) è ospitato da un versatile spettrometro Echelle che copre l'intervallo spettrale tra 0,7 e 1,6 micrometri con un potere di risoluzione di circa 20, 000. Questo dispositivo si concentrerà principalmente sulle misurazioni del vapore acqueo, aerosol, i bagliori diurni di ossigeno molecolare, e i bagliori notturni causati dai processi fotochimici nell'atmosfera marziana. Le osservazioni nella banda del vicino infrarosso saranno condotte in tre modalità principali (fig. 2). Vale a dire, le misurazioni dell'occultazione solare della luce che passa attraverso l'atmosfera marziana e il nadir - o "verso il basso" - misurazioni della luce solare riflessa dal pianeta e dalla sua stessa radiazione. Sono supportate anche le misurazioni degli arti.
Il canale del medio infrarosso (MIR) è uno spettrometro Echelle a dispersione incrociata dedicato alle misurazioni dell'occultazione solare nell'intervallo 2,2-4,4 micrometri. Ha un potere risolutivo superiore a 50, 000. In base alla progettazione, ACS-MIR effettuerà misurazioni ad alta sensibilità del contenuto di gas in tracce, comprese le concentrazioni di metano e aerosol, e il rapporto deuterio/idrogeno. Raggiungere gli obiettivi chiave della missione ExoMars dipenderà dalle osservazioni nella banda del medio infrarosso. È in gran parte questo canale che promette una svolta scientifica.
Fig. 3. Le principali vie fotochimiche note o previste su Marte e la loro relazione con le capacità di misurazione dell'ACS. Credito:ricercatori 10.1007/s11214-017-0437-6
"Consente misurazioni dell'atmosfera marziana centinaia di volte più accurate che mai, " afferma l'ingegnere capo Alexander Trokhimovskiy dello Space Research Institute, RAS, che ha guidato il lavoro su ACS-MIR. "Anche, la sonda è diretta verso un'orbita che rende possibili osservazioni di occultazione solare abbastanza frequenti."
"Il MIPT ha sviluppato algoritmi di elaborazione dati e progettato un modello generale di circolazione dell'atmosfera marziana, che è necessario per pianificare gli esperimenti e interpretare i loro risultati, " aggiunge Alessandro Rodin, il capo del Laboratorio di Spettroscopia Infrarossa Applicata al MIPT.
Conosciuto come TIRVIM, il terzo strumento ACS è uno spettrometro a trasformata di Fourier operante nell'intervallo 1,7-17 micrometri con una risoluzione di 0,2-1,3 per centimetro. È responsabile della raccolta dei dati sul clima marziano:profili di temperatura atmosferica, contenuto di polvere, e temperatura superficiale. Si prevede che le misurazioni dell'infrarosso termico mapperanno le temperature dalla superficie del pianeta fino a un'altitudine di circa 60 chilometri. Lo strumento consentirà inoltre di stimare le profondità ottiche della polvere e delle nubi marziane con una precisione senza pari, fornendo l'opportunità di rilevare l'ozono e il perossido di idrogeno, due gas fondamentali per la fotochimica marziana (fig. 3).
Il rivelatore TIRVIM deve la prima metà del suo nome all'infrarosso termico, o TIR, banda spettrale, ma le tre lettere finali nell'acronimo onorano Vasily Ivanovich Moroz, il fondatore della spettrometria a infrarossi russa e capo di lunga data del Dipartimento di Fisica Planetaria presso l'Istituto di ricerca spaziale dell'Accademia delle scienze russa.
